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7nm功耗問題及解決方案,設計成功源于能夠實現精確預測,穩健可靠的RTL到GDS方法
7nm工藝不僅能將速度提升35%,功耗銳減65%,而且還能實現3.3倍的更高密度,這些優勢似乎使其順理成章地成為新一代片上系統(SoC)設計的不二之選。但是將一塊中端7nm SoC芯片投入量產估計需要約2.71億美元的總體設計成本和500人年的工作量,企業需要仔細權衡在這一先進技術節點上開展設計的成本和產出。為贏得利潤,設計團隊需要管理成本和資源,確保讓芯片一次性成功。這些考量因素需要設計方法將重心向早期分析轉移,從而形成更明智的下游決策并及時發現設計問題。
對于更小節點上的設計而言,功耗和電源噪聲管理仍然是一個重大問題,而且它們也是減少設計失效的關鍵要求。7nm finFET節點上的更大器件電容、互連電阻和電流密度愈發凸顯出動態功耗和熱管理的重要性。通過采用可預測并且十分可靠的RTL方法,您能夠在這個流程中盡早發現和糾正潛在的功耗問題,制定更出色的設計決策。
盡早做出設計決策
RTL功耗分析通過提供更加直觀的環境,方便用戶發現、調試和修改潛在的功耗問題,從而在設計流中盡早實現具有重要影響的功耗相關決策。與通過綜合和計算門級功耗流程所需的數小時相比,RTL功耗分析可在短短幾分鐘內完成。此外,在RTL上仿真更高覆蓋率的設計翻轉也容易得多。所有這些優勢讓您能夠探索多種架構,在各種工作模式下做出最優設計決策。AMD在近期的《ANSYS Advantage》文章中介紹到,通過在各種不同帶寬情境中嚴格地跟蹤RTL功耗,他們成功地在高性能計算設計應用中將功耗銳降70%。
圖1:為大幅度降低功耗,在多種不同帶寬情境下開展RTL功耗研究(來源:ANSYS Advantage)
精確預測功耗
為盡早制定設計決策,RTL結果應可靠地預測已實現設計的最終功耗。這要求在RTL和物理設計間建立緊密鏈接,在RTL級工作階段為例如時鐘分配網絡、連線電容、緩沖器和毛刺等實際的物理設計細節建立模型。。對于時鐘網絡而言,RTL功耗的可預測性和準確性至關重要。先進節點要求RTL時鐘功耗建??紤]時鐘網絡的物理結構、時序和功耗約束以及時鐘線的互連電容。此外,毛刺功耗也對預測功耗的準確性有顯著影響,因此需要對毛刺生成邏輯路徑的傳播過程進行RTL建模和分析。通過以物理方式開展時序感知時鐘樹綜合(CTS)、毛刺功耗建模與仿真、連線電容和其他物理效應的建模,您能夠預測它們對總功耗的影響,并胸有成竹地盡早做出設計決策。
消除冗余翻轉
消除冗余翻轉是管理動態功耗的關鍵一環。時鐘線具有最大驅動負載的高翻轉連線,并控制著大部分的總功耗。毛刺功耗可占到總邏輯功耗的20%到30%,特別是在高計算強度的設計中尤為如此。RTL功耗效率指標是一種非常有效的方法,便于您了解這些浪費功耗的區域。在RTL上工作能在每個周期了解時鐘、控制和數據信號間的翻轉關聯性,而這種關聯性對于準確的存儲器和時鐘門控效率分析非常有用。
此外,基于RTL的功耗仿真還能進行復雜的分析,自動找出針對時鐘、時序邏輯和存在毛刺傾向的數據路徑邏輯的RTL改動,以解決多余的翻轉問題,從而為下游工具提供有效補充。RTL在更高的設計抽象級工作,能夠分析非常大型的設計,因此也能分析出由于模塊之間相互作用而浪費的功耗。而這一點是使用其他實現工具無法企及的。實際上,NXP在ANSYS網絡研討會中曾提到他們如何利用RTL功耗分析和降耗功能來調試和解決數字邏輯的噪聲干擾問題。這些干擾曾給他們的汽車信息娛樂應用的模擬組件造成不利影響。
圖2:NXP利用RTL功耗方法減少數字噪聲干擾(來源:ANSYS)
實際應用的翻轉分析
功耗行為與芯片翻轉高度相關。傳統用于識別適當翻轉模式的方法重點關注功耗分析的短期時間窗口,這樣可能會漏掉芯片在實際翻轉下可能發生的功耗關鍵型事件,因此存在一些弊端。例如在操作系統(OS)啟動或高分辨率視頻幀應用場景,盡早掌握實際應用的功耗和熱特性,,可幫助您有效避免在設計流程后期出現成本高昂的功耗相關問題。硬件加速仿真器等專業硬件能夠以更高的速度仿真,讓基于實際應用的分析得以實現。但是針對這種實際應用翻轉逐周期地開展功耗分析需要高強度的計算,并花費數天乃至數周的時間。
利用高性能RTL仿真引擎,您能夠為非常長的波形在每個周期生成精確的功耗特性分析,并且速度比傳統方法要快幾個數量級。這樣就能在幾小時內完成包含數十毫秒翻轉的高清視頻幀的功耗計算工作,以及在一天內完成包含數百毫秒數據的操作系統啟動的功耗特性分析。將波形翻轉數據從仿真器直接傳輸到RTL引擎中,還能將運行時間加快5倍到10倍。
推動早期電源噪聲和熱分析
快速運行數百萬個周期的數千個RTL波形,能夠提供眾多關鍵信息。它能發現重要活動,例如導致大電源噪聲和熱點的峰值開關功率(di/dt)。通過重點關注功率關鍵型翻轉事件,您能夠提升瞬態供電網絡分析的覆蓋范圍和效率,并降低設計失效風險。此外,基于實際應用的RTL芯片電流特性分析還能盡早實現芯片、封裝和電路板的準確協同設計。在系統級,功耗對于熱性能具有直接影響。了解整個實際仿真過程中的功率特性有助于您確定和解決消耗最大功率、進而造成熱問題的設計區域。
通過回歸分析跟蹤功耗
在整個設計過程中監測功耗數據,可確保下游設計變更不會給其功耗性能造成不利影響。功率回歸分析能提供關于各種降耗措施的有效性的反饋,并跟蹤多種工作模式下的功率效率。查詢數據庫并且跨多種設計版本比較結果的功能,可讓您避免后續設計變更造成的意外問題。
管理大型設計
由于芯片大小及其功能繼續以指數速率增長,仔細分析多種工作情境時有效管理計算的能力將成為重要的成功標準。將彈性計算和大數據分析等新興技術應用到RTL功耗分析能夠有助于管理這種復雜性。
總而言之,功耗仍舊是7nm工藝上的主要設計難點。為了成功地在這個先進節點上交付設計,您需要采取早期分析來實現以下目標:
? 考量物理設計因素準確地預測功耗
? 發現具有較大影響的降耗機會并消除浪費的翻轉
? 通過分析實際應用中的功耗特性,提高電源噪聲和熱分析的覆蓋范圍
? 監測設計變更后和各種工作模式下的功耗效率
? 充分發揮彈性計算和大數據分析的功能和性能
部署可預測和可靠的RTL功耗方法能幫助您實現更快的設計收斂。